全球卫星互联网争霸赛刻不容缓,我国如何“后发先至”抢占时机?

番茄科普 2023-11-14
4109 字丨阅读本文需 10 分钟

马斯克近来很开心,因为旗下的火箭发射和“星链(Starlink)”项目不再亏损了,首度实现了现金流盈亏平衡。这意味着其造钱模式收获认可,后续会拿到更多资金用于生产卫星、发射卫星,甚至用卫星包围地球。

最新消息称,2023年SpaceX旗下的上述两项业务预计实现营收约90亿美元(约合655.13亿元人民币),到2024年销售额则有望进一步增加至150亿美元(约合1091.88亿元人民币)左右的规模。

随着星链业务逐渐向全球更多地区扩展,预计明年该业务的销售额将超过火箭发射业务,成为SpaceX的营收大头。不难想象的是,全球范围内的卫星互联网竞争将愈发激烈,新一轮的太空角逐已然开始。

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渐行渐近的卫星互联网

在介绍卫星互联网之前,仍有必要先解释一下卫星这个大家都熟悉的概念。

卫星是指在地球轨道上运行的人造天体,它是由人类发射到太空中,用来执行各种任务。按照用途主要分为通信卫星、导航卫星、遥感卫星等。

通信卫星是用于传输数据信号和语音信号的卫星,其主要功能是提供长距离的无线通信服务;导航卫星主要用于地球点位的方向判读以及全球定位和引导等,比如GPS和北斗导航系统;遥感卫星是用于观测地球物理状况和地理环境的卫星,主要用于地物识别、对地观测、测绘成图等。

接着讲到卫星互联网的概念,其是通过一定数量的通讯卫星形成规模组网,是一种能够完成向地面和空中终端提供宽带互联网接入等通信服务的新型网络。

与传统的移动通信相比,卫星通信最大的区别在于中继媒介是卫星而不是地面基站。每颗通信卫星相当于运行在地球上方的移动基站。

众所周知,我国地面通信基础设施极为完善,“人口覆盖率”达到99%,但“国土覆盖率”却仅有三成左右。换句话说,大量的深山、沙漠、戈壁无人区等没有地面网络信号覆盖,无法与外界进行有效通信。

相较之下,卫星通信具有更广阔的覆盖范围,打破了距离限制,而且突破了地理环境的限制。在传统移动通信无法建设基站或者基站遭到破坏的场景下,建立卫星互联网,可用于航空、航海、军事、科考、应急通信等特殊场景。而这些场景,靠传统的基站显然是入不敷出的,而卫星这个“移动基站”则是更可能的选择。

以个人应急求救场景为例,通过手机终端直连卫星的通信方式,即便身处无地面网络信号覆盖的环境下,也可实现信息互通,发出求救信号。

再比如,卫星互联网可以用于海上船只之间、船只与陆地之间的短消息收发、话音调度等基础服务和船舶预警、视频监控等高级服务;在军事领域,卫星互联网可以更好地维持网络连接,感知战场态势,获取情报。

随着移动互联网、物联网的深度普及,空中机载、海洋船载、空间中继等传统地面场景之外通信需求日益增加,卫星互联网的重要度和优先级正不断提升。

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全球卫星通信争霸赛已刻不容缓

随着低轨卫星互联网商业模式的可行性被星链所验证,星地融合的新一代通信系统时代即将来临。世界各国都陆续开启了自家的“星链计划”,“星链”一词甚至一度成为通信卫星的代名词。

根据运行轨道距离海平面的高度,卫星可以分为低轨卫星、中轨卫星和高轨卫星。最初的高轨卫星只要3颗,便可将通信信号覆盖全球。不过,由于高轨卫星距地较远,致使信号时延高,带宽小,连接体验不好,加之造价成本高昂,让低轨卫星的优势日益显现,成为组建卫星互联网的首选。

低轨卫星的轨道位置一般处于离地表340—2000公里的高度,便于每颗低轨卫星所辐射的范围会更宽广。不过,由于低轨卫星轨道和频谱资源十分有限,世界各国均充分意识到近地轨道和频谱资源的战略价值,以及低轨卫星通信系统的巨大商业价值,近年来针对卫星发射的争夺战已经悄然展开。

美国,正以Space X的星链为代表,加速近轨卫星互联网的布局。据Space X计划,2024年至2027年每年需生产/发射约7000~8000颗,2028年后基本维持在每年8000颗以上水平。不同于传统通信系统,星链不受高山、海洋、极地等复杂地形和恶劣气候条件的影响,也能在复杂的电磁环境下正常工作。其呈现出通信速度快、带宽大、延迟短、效费比高等特点。甚至当下的美国国防部计划依托星链构建新的军用通信生态系统,用以满足多军兵种联合作战需求。

英国,依托通信公司OneWeb推出了OneWeb星座计划,目前已成为世界第二大规模的通信卫星星座。OneWeb最初计划发射720颗卫星,单颗卫星的通信容量可以达到5Gb/s以上。这些卫星将运行在约1200km的轨道高度上,分布在18个不同的轨道面上,使用Ku频段进行通信。2023年3月,OneWeb第一代星座36颗卫星交由印度新航天公司发射成功,实际组网卫星数量达到618颗,基本具备全球服务能力。OneWeb的终极目标是计划在1200公里高度的近地轨道上部署6372颗卫星,在8500公里高度的中地球轨道部署1280颗卫星。

加拿大,计划通过卫星通信公司Telesat打造由198颗卫星组成的Lightspeed星座,为加拿大的企业、政府客户以及乡村与偏远社区提供卫星通信服务。其资本投资总额约为35亿美元,包括198颗卫星、卫星运载火箭、着陆站和运营中心的全球地面网络、业务和运营支持系统等。加拿大联邦和省政府承诺为其提供约20亿美元的资金支持。Telesat预计,将在2026年年中启动Lightspeed卫星网络的第一次发射,当第156颗卫星发射入轨时(预计在2027年底)将启动全球服务。

德国,也不甘人后,其通过Rivada Space Networks、KLEO Connect等初创企业推动低轨卫星网络布局。其中,Rivada Space Networks曾在2022年3月发布公告称,计划在18个月内开始建造一个由600颗低地球轨道(LEO)卫星组成的星座。部署将于2024年开始,预计2028年年中全部完成。这些卫星将通过结合卫星和地面能力,以提供高速低延迟的全球网络覆盖。另外,德国政府在今年9月份阻止了中国公司对KLEO Connect的收购,生怕“肥水外流”一般。

俄罗斯,则从2018年制定了“球体”计划,预计未来几年内打造一个由600多颗卫星组成的卫星星座。“球体”卫星星座预计在距地870公里的轨道上运行,高于美国“星链”的运行高度。通过运行在不同高度的多种卫星,“球体”星座将具备卫星通信服务、对地观测等不同功能,从而让俄罗斯拥有“最现代化的太空通信和监控系统”。根据俄政府规划,2023年和2024年预计投入180亿卢布的政府拨款,2025年则会降至85亿卢布。

根据国际电信联盟(ITU)预测,近地轨道卫星总容量约为6万颗,目前无论是航空航天企业自身资金与技术能力,还是各个国家宇航局可以调配的资源与服务能力,美国对卫星互联网的争夺无疑占据着绝对优势。如果SpaceX、亚马逊、Astra和波音公司组成的强大卫星互联网编队如期实现了各自的计划,美国将霸占卫星互联网90%以上的空间,其中仅“星链”就占据了超四成的空域。届时对于中国来说,千辛万苦积累起来的些许卫星底子将毫无优势可言。

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“星链”发展启示

“星链”系统作为当前全球规模最大、技术最先进的星座,虽然在通信、遥感等许多场景下发挥了很好的作用,但是也存在许多问题,值得我们借鉴启示。

一是容易对其它航天器造成威胁。“星链”系统运行以来,曾经多次发生与欧盟航天器和我国的空间站近距离接触的情况,主要原因是“星链”卫星的部署并不是“一步到位”,而是先送到极低轨道,再靠自己的动力推进到目标轨道,由于使用动力很弱的霍尔电推进技术,所以推进途中,遇到其它航天器,很难及时调整姿态。

二是低轨道导致维护成本大增。“星链”系统为了提高容量,其运行轨道从最初的1150KM,降到了550KM和340KM(600KM以下的大气中有空气),有一定运行阻力,卫星必须经常调整轨道高度;因此,虽然卫星设计寿命为7年,但实际上平均寿命仅有5年,所以“星链”部署完毕后,每年需要补充20%的卫星(约8000颗卫星),这极大增加了星座维护成本。

三是星间链路技术增加链路传输性能。“星链”卫星先后经历了多个版本:V0.9版(重量227KG)、V1.0版(重量260KG)、V1.5版(重量277KG),直至现在的V2.0版(重量1.25T);从V1.5版开始,“星链”使用了星间激光链路,这大幅减少了对地面网络和信关站的依赖,降低了系统地面段的复杂度,同时空间段的接力传输,对信息传输损耗和时延都有很大的优化作用。

卫星互联网的发展过程中,美国始终走在国际前列,也在资源争夺上占得了很多“先机”,希望通过分析学习,获取一些我国卫星互联网发展的思考。另外,新版“星链”卫星体积的明显变大,无疑增加了其功能扩展的能力,未来的“星链”可能不再是单纯的商业通信系统,预计其未来在军事方面的应用将会越来越具有攻击性,因此,我们的卫星互联网发展刻不容缓。

04

中国亟需打好“后发先至”牌

实际上,对于卫星互联网来说,轨道和频谱均不可再生,而且ITU奉行的基本原则是“先登先占,先占永得”的规则,也就是谁申报注册得早,某个轨道位置、频率就归谁。因此,不管是为了抢占目前的星座位置还是频段资源,亦或竞夺未来的产业商机,各国都在全力支持并推动本国航空航天企业快速朝着卫星互联网领域迈进。中国自然也亟需大干快上。

为了加速布局,中国已向ITU提交了卫星总量1.3万颗的低轨道星座与频谱申请。依托中国航天科工集团、中国航天科技集团和中国卫星网络集团,“虹云工程”、“鸿雁星座”与“星网工程”三大发展计划纷纷出炉。同时,由民营企业主导的“银河Galaxy”卫星项目上马,计划陆续发射2800颗卫星来组建卫星互联网。

值得注意的是,2023年下半年我国还正式开启了超低轨通信、遥感一体星座的建设。目前超低轨通遥一体星座首发星已完成正样产品设计与投产,首星将搭载光学遥感相机、星载智能处理设备、原子氧探测器等有效载荷,预计在12月份实施发射。到2024年,9星业务验证星簇将完成发射,构建起卫星数据公共服务平台。通过即时ToC遥感业务应用示范系统,向用户提供1天级服务响应能力和信息触达。2026-2030年间,该项目会进入规模组网阶段,计划2030年完成300颗星在轨组网运行,提供可见光、SAR、高光谱、红外多元服务体系,形成全球15分钟响应能力。到2030年以后,完成业务系统的全面建设,达到全球范围10分钟以内的即时业务响应和服务能力。

有计划显示,2027年中国低轨卫星的发射数量将达3900多颗,2030年将突破6000颗。而现阶段,卫星制造和发射环节成为关键环节。铖昌科技、航天智装、国博电子、上海瀚讯、臻镭科技、航天电器、航天电子等头部企业率先成为了资本市场的关注焦点。

融资层面,2021年国内商业航天融资37起,总额64.5亿元。到2022年第一季度,国内已有21家商业航天企业宣布获得融资,金额总量突破37.3亿元人民币。有行业研究数据显示,自2015年起,中国商业航天市场规模逐年增长。2020年达10202亿元,预计2024年将突破两万亿元大关。另据不完全统计,目前国内参与商业航天领域相关投资的VC/PE机构已超100家。国内资本仍然十分青睐初创企业,尤其是火箭、卫星的发射研发企业。

除了利好卫星制造等领域企业外,华为在8月29日和9月8日分别发布支持卫星通话的Mate60Pro/Pro+,亦将催化下游的相关应用、终端等企业进一步创新。(星链则在10月11日官网推出了手机直连业务。)

显而易见的是,一场由技术革新和商业资本驱动的卫星互联网发展大潮正席卷全球,如何在这次浪潮中把握节奏,抢占先机,成为考验我国卫星产业发展的一大挑战。前瞻“空天海地”6G时代,谋布新的科技竞赛,在全方位的实力比拼面前,每一份力量或许都会变得至关重要。

文章来源: 融中财经,锦缎,中移科协

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